КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ

ЛЕКЦИЯ 4

КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ

4.1 Определение понятия «давление» и соотношение между единицами давления

Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей усилия к площади, на которую действует усилие.

Давление является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления зависит протекание технологического процесса. Величина единицы давления зависит от выбранной системы единиц (табл. 4.1). Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление Pа – давление, отсчитанное от абсолютного нуля. Избыточное давление Ри представляет собой разность между абсолютным давлением Pа и барометрическим давлением Рб (т.е. давлением воздушного столба земной атмосферы) Ри = Ра – Рб [3]. Если абсолютное давление ниже барометрического, то РВ = Рб – Ра, где Pв – разрежение. Единицы измерения давления: Па (Н/м2), кгс/см2, мм вод.ст., мм рт.ст.

В зависимости от природы контролируемого процесса нас интересует абсолютное давление Ра или избыточное Ри. При измерении Ра за начало отсчета принимается нулевое давление, которое можно себе представить как давление внутри сосуда после полной откачки воздуха. Естественно, достигнуть Ра = 0 невозможно.

Барометрическое давление Рбар - давление, оказываемое атмосферой на все находящиеся в ней предметы.

Избыточное давление представляет собой разность между абсолютным и барометрическим давлениями:

Ри = Ра - Рбар

Если Рабс < Рбар, то Ри называется давлением разряжения.

Единицы измерения давления: Па (Н/м2), кгс/см2, мм вод.ст., мм рт.ст.

Соотношение между единицами давления

Единицы давления	кгс / м2 или мм вод. ст.	атм. (физичеcкая атмосфера)	мм рт. ст.	Н/м2
1 кгс/см2 или 1 атм. (техническая атмосфера)	104	0,9678	735,56	98066,5

4.2 Классификация приборов для измерения давления:

Классификация приборов для измерения давления по виду измеряемого давления

Приборы для измерения давления по виду измеряемого давления подразделяются на:

а) манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры – для измерения разряжения (вакуума);

в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума;

г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений (до 40 кПа);

д) тягомеры – для измерения малых разряжений (до -40 кПа);

е) тягонапорометры – для измерения разряжений и малых избыточных давлений;

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;

з) барометры – для измерения барометрического давления атмосферного воздуха [3].

4.1.1. Классификация приборов для измерения давления по принципу действия

По принципу действия приборы для измерения давления делятся на:

а) жидкостные, основанные на уравновешивании измеряемого давления гидростатическим давлением столба жидкости;

б) деформационные (пружинные), измеряющие давление по величине деформации различных упругих элементов или по развиваемой ими силе;

в) электрические, основанные либо на преобразовании давления в какую-нибудь электрическую величину, либо на изменении электрических свойств материала под действием давления [3].

4.3 Жидкостные манометры.

Широко применяются в качестве образцовых приборов для лабораторных и технических измерений. В качестве рабочей жидкости используется спирт, вода, ртуть, масла.

Один конец трубки соединен с полостью, в которой измеряется давление, другой конец трубки сообщается с атмосферой. Под действием измеряемого давления жидкость в трубке перемещается из одного колена в другое до тех пор, пока измеряемое давление не уравновесится гидростатическим давлением столба жидкости в открытом колене. Если давление в полости, с которой соединен прибор, ниже атмосферного, то жидкость в коленах переместится в обратном направлении, и высота ее столба будет соответствовать вакууму. Присоединив оба колена трубки к полостям с различными давлениями Р1 и Р2, можно определить разность давлений.

4.5 Пружинные манометры.

Классификация пружинных приборов для измерения давления по типу

чувствительного элемента

1) приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружинные (рис.4.2а, б);

2) мембранные приборы, у которых упругим элементом служит мембрана (рис.4.2в), анероидная или мембранная коробка (рис.4.2г, д), блок анероидных или мембранных коробок (рис.4.2е, ж);

3) пружинно - мембранные с гибкой мембраной (рис.4.2з);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис.4.2к);

5) пружинно - сильфонные (рис.4.2и).

Рис. 1. Типы пружинных устройств

Рис. 4.2. Виды упругих чувствительных элементов

Действие пружинных приборов основано на измерении величины деформации различного вида упругих элементов. Деформация упругого чувствительного элемента преобразуется передаточными механизмами того или иного вида в угловое или линейное перемещение указателя по шкале прибора.

Наиболее широко применяются приборы (манометры, вакуумметры, мановакуумметры и дифманометры) с одновитковой трубчатой пружиной.

Основная деталь прибора с одновитковой трубчатой пружиной – согнутая по дуге окружности трубка эллиптического или плоскоовального сечения (рис. 4.3). Одним концом трубка заделана в держатель, оканчивающийся ниппелем с резьбой для присоединения к полости, в которой измеряется давление. Внутри держателя есть канал, соединяющийся с внутренней полостью трубки. Если в трубку подать жидкость, газ или пар под избыточным давлением, то кривизна трубки уменьшится, и она распрямляется; при создании разрежения внутри трубки кривизна ее возрастает, и трубка скручивается. Так как один конец трубки закреплен, то при изменении кривизны трубки ее свободный конец перемещается по траектории, близкой к прямой, и при этом воздействует на передаточный механизм, который поворачивает стрелку показывающего прибора. Свойство изогнутой трубки некруглого сечения изменять величину изгиба при изменении давления в ее полости, является следствием изменения формы сечения. Под действием измеряемого давления внутри трубки эллиптическое или плоскоовальное сечение, деформируясь под действием силы F=P*S, где S – площадь воздействия давления, приближается к круговому сечению (малая ось эллипса или овала увеличивается, а большая уменьшается)

4.6 Электрические манометры.

Манометр сопротивления. Действие манометра основано на изменении сопротивления проводника под действием внешнего давления ;

Емкостной манометр. Действие прибора основано на изменении емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между обкладками;

Пьезоэлектрический манометр. Его действие основано на свойстве некоторых кристаллических веществ, создавать электрические заряды под действием механической силы;

Ионизационный манометр. Его действие основано на ионизации молекул газа потоком электронов, испускаемых раскаленным катодом

Преобразователи давления типа "Сапфир".

Эти манометры обеспечивают непрерывное преобразование значение измеряемого параметра (давления избыточного, абсолютного, разряжения, разности давлений нейтральных и агрессивных сред) в унифицированный токовый сигнал для дистанционной передачи (0 - 5 мА, 0 - 20 мА и др.). СРС

Примеры приборов Метран и т.д.

5. КОНТРОЛЬ УРОВНЯ

5.1. Методы измерения уровня жидкости, применяемые в химической промышленности

В химической промышленности для измерения уровня жидкости используются следующие методы измерения:

С помощью указательных стекол. Указательные стекла применяются для местного измерения уровня в аппаратах, работающих при атмосферном или избыточном (до 1 МН/м2) давлении;

С помощью поплавковых уровнемеров. В этих приборах чувствительным элементом является поплавок с меньшей (плавающей) или большей (погруженный) плотностью, чем плотность жидкости (рис.4.63). Изменение уровня жидкости в аппарате с плавающим поплавком вызывает его перемещение, которое посредством системы рычагов, тяг и тросов передается указателю, движущемуся по шкале, или вторичному прибору для показания, записи или передачи на расстояние значений высоты уровня жидкости в аппарате. В таких уровнемерах поплавок следит за уровнем жидкости.

Недостатки этих уровнемеров: перевернутая шкала; дополнительная погрешность измерения из-за изменения силы, натягивающей трос (при подъеме уровня к силе тяжести противовеса прибавляется сила тяжести троса).

Рис. 5.1. Простейший поплавковый измеритель уровня: 1 — поплавок; 2— ролики; 3 —противовес;4 — шкала

Действие уровнемеров с пружинным поплавком основано на изменении выталкивающей (архимедовой) силы, действующей на поплавок при его погружении в жидкость. Такой поплавок удерживается в подвешенном состоянии посредством пружинного элемента. Благодаря этому значительные по величине изменения уровня жидкости будут приводить лишь к небольшим перемещениям поплавка.

С помощью гидростатических уровнемеров. Они служат для измерения гидростатического давления столба жидкости. Различают гидростатические (с использованием интеллектуального датчика Метран ДГ), гидростатические пьезометрические и дифманометрические уровнемеры. Действие гидростатических пьезометрических уровнемеров основано на изменении давления воздуха или газа, барботирующего через слой жидкости, с измеряемым уровнем при изменении последнего. Их часто применяют для определения уровня жидкостей с повышенной вязкостью. Действие гидростатических дифманометрических уровнемеров основано на определении уровня по перепаду давления между столбами измеряемой жидкости в аппарате и в уравнительном сосуде, уровень в котором постоянен. СРС

Ультразвуковые уровнемеры принцип действия которых основан на измерении временного интервала между излученным и отраженным сигналами.

Ультразвуковые уровнемеры предназначены для обеспечения непрерывного измерения уровня жидкости и расстояния до жидкости в резервуарах, хранилищах, сточных ямах, демпферных резервуарах, а также расчета объема и расхода в открытых каналах и водосборниках. К достоинствам можно отнести дешевизну, простоту использования, отсутствие движущихся частей, отсутствует необходимость в калибровке, наличие встроенного датчика температуры и т.д..

Ультразвуковые импульсы излучателя уровнемера отражаются от поверхности жидкости. Уровнемер улавливает отраженные сигналы (эхо) и измеряет временной интервал между излученным и отраженным сигналом. На основании этого временного интервала рассчитывается расстояние до поверхности жидкости [8].

Встроенный датчик температуры непрерывно измеряет температуру в пространстве над жидкостью. Уровнемер использует значение температуры при расчете скорости звука в воздухе, компенсируя, таким образом, влияние температуры на измеряемое расстояние

СРС

Радарные измерители подразделяют на бесконтактные и контактные для определения уровня жидких и сыпучих веществ, которые используют радарную технологию, основанную на распространении непрерывного частотно-модулированного излучения (НЧМИ) микроволнового диапазона. Они удобны там, где необходимо прямое измерение: при измерении коррозионных, абразивных, клейких или вязких жидкостей, с которыми проблематично использование контактных устройств; измерение при изменениях температуры и давления.

Сигнал радара (микроволна) посылается от измерителя к поверхности среды и отражается назад на приемник измерителя. Приемник оценивает разность фаз между посланным и принятым сигналом. Радарные измерители выдают аналоговый выходной сигнал (4-20) мА. Частота 24 ГГц и современная электроника позволяет радарным измерителям использовать небольшую антенну и получать узкий пучок излучения (рис.5.2). Маленькая легкая антенна упрощает установку, а узкий луч уменьшает нежелательное эхо от препятствий, находящихся в резервуаре, таких как мешалки, теплообменники, трубы для заполнения, перегородки, теплозащитные карманы и периодические потоки для заполнения резервуара .

Рис. 5.2. Радарный уровнемер

Для предотвращения взрывов на объектах химической промышленности не применяются приборы, принцип работы которых основан на получении электрического сигнала, например: электрические уровнемеры (емкостные и омические), и достаточно дорогой и опасный радиоактивный метод.

5.2 Методы измерения уровня сыпучих материалов, применяемые в химической промышленности

Для ряда технологических процессов в химической промышленности нередко возникает необходимость непрерывного измерения уровня сыпучих материалов в бункерах. Для этой цели наибольшее применение имеют поплавковые, электрические емкостные, радиоизотопные, весовые и микроволновые контактные и бесконтактные радарные уровнемеры (описаны ранее) [6].

Принципиальная схема емкостного уровнемера показана на рис.4.73. В сосуд с жидкостью или сыпучим материалом 1, уровень которой необходимо измерять, опущен электрод 2, покрытый изоляционным материалом. Электрод вместе со стенками сосуда образует цилиндрический конденсатор, емкость которого меняется при колебаниях уровня жидкости. Величина емкости измеряется электронным блоком 3, который затем подает сигнал в блок 4, представляющий собой релейный элемент в схемах сигнализации достижения определенного уровня [3].

Устройство и принцип действия датчика избыточного давления «Сапфир-22 ДИ»

Датчик САПФИР-22ДИ (рис.4.10) для измерения избыточного давления состоит из измерительного блока 4 и унифицированного электронного устройства 5. Внутри основания 2 блока 4 размещен мембранный тензопреобразователь 7, полость 8 которого заполнена кремнийорганической жидкостью и отделена от измеряемой среды гофрированной мембраной 10. Мембрана приварена по наружному контуру к основанию 2. Чувствительным элементом тензопреобразователя является пластина из монокристаллического сапфира с кремниевыми пленочными тензорезисторами, прочно соединенная с мембраной 10. Основное свойство тензорезисторов – способность изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от степени прогиба мембраны тензопреобразователя.

Измеряемая величина (давление среды в технологическом аппарате или трубопроводе) подается в камеру 11 фланца 9 измерительного блока и через жидкость, заполняющую тензопреобразователь, воздействует на мембрану, вызывая ее прогиб и изменение электрического сопротивления тензорезисторов. Электрический сигнал от тензопреобразователя передается из измерительного блока в электронное устройство 5 по проводам через вывод 6. Электронное устройство преобразует этот сигнал в токовый выходной сигнал манометра, значение которого зависит от измеряемого давления.

Устройство и принцип действия грузопоршневого

манометра МП -60

Грузопоршневые манометры в основном применяются для градуировки и поверки различных видов пружинных манометров, так как отличаются высокой точностью и широким диапазоном измерений от 0,098 до 980 МН/м2 (1—10000 кгс/см2). Принцип действия грузопоршневых манометров следующий. На поршень, свободно движущийся в цилиндре, действуют две силы: сила от давления жидкости, с одной стороны, и сила тяжести положенных на поршень грузов – с другой. Образцовый грузопоршневой манометр (рис.4.7–4.8) состоит из колонки, укрепленной на станине прибора, в которой имеется вертикальный цилиндрический канал, в нем движется пришлифованный поршень, несущий на верхнем конце тарелку для установки грузов. Верхняя часть колонки снабжена воронкой для сбора масла, просачивающегося через зазор между поршнем и цилиндром. В станине высверлен горизонтальный канал, в расширенной части которого движется посредством винтового штока поршень 7, уплотненный манжетами. Канал в станине соединяется с каналом колонки и каналами двух бобышек, предназначенных для укрепления поверяемых манометров. Кроме того, с каналом станины соединен канал воронки 8, которая служит для заполнения системы маслом. Каналы для отсоединения их от канала станины снабжены игольчатыми вентилями 9-12. Назначение вентиля 13 - спуск масла из прибора. Максимальное давление, создаваемое грузами, 4,90 МН/м2 (50 кгс/см2). Рассчитывается по формуле:

,

где fэф – эффективная площадь сечения штока поршня. А показывает ли поверяемый манометр с упругим чувствительным элементом такое же давление? Для поверки манометров на большее давление пользуются поршневым прессом, отсоединив от прибора поршневую колонку 1 вентилем 10. В качестве прибора сравнения применяют образцовый пружинный манометр: его присоединяют к одной из бобышек 4, а поверяемый прибор - к другой бобышке.

Схема образцового поршневого манометра:

1 — колонка; 2— поршень; 3 и 8 — воронки; 4 — бобышки;

5 — канал; 6 — тарелка; 7 — поршень; 9 – 13 —вентили

МП-600

PAGE 10

Рбар

Ра

Рис. 2.8

Р1

Р2

Схема емкостного уровнемера:

1 – сосуд с жидкостью;

2 – электрод;

3 – электронный блок;

4 – релейный блок или измерительный прибор

Датчик САПФИР – 22ДИ

1 – прокладка; 2 – основание; 3 – полость; 4 – измерительный блок; 5 – электронное устройство;

6 – гермовывод; 7 – мембранный тензопреобразователь;

8 – полость тензопреобразователя; 9 – фланец;

10 –мембрана; 11 - камера

КОНТРОЛЬ ДАВЛЕНИЯ